Aunque muchos de nosotros hemos oído hablar de las resinas de intercambio iónico (IX), pocos conocemos cómo funciona realmente esta tecnología. Tanto si está sopesando posibles estrategias de tratamiento, como si busca formas de sacar el máximo partido a sus resinas IX existentes o simplemente siente curiosidad por la química de las IX, es posible que se pregunte «¿Qué es la resina de intercambio iónico y cómo funciona?»

Independientemente de sus objetivos, este artículo le ayudará a tomar mejores decisiones sobre las estrategias de tratamiento de agua adecuadas para su instalación, ayudándole a comprender mejor la tecnología de resinas IX, y cómo sirve para una variedad de necesidades de tratamiento y separación del agua.

¿Qué son las resinas de intercambio iónico?

El intercambio iónico es una reacción química reversible en la que los iones disueltos se eliminan de la solución y se sustituyen por otros iones de la misma o similar carga eléctrica. La resina IX no es un reactivo químico en sí mismo, sino un medio físico que facilita las reacciones de intercambio de iones. La propia resina está compuesta por polímeros orgánicos que forman una red de hidrocarburos. A lo largo de la matriz polimérica hay sitios de intercambio de iones, donde los llamados «grupos funcionales» de iones con carga positiva (cationes) o negativa (aniones) se fijan a la red polimérica. Estos grupos funcionales atraen fácilmente los iones de carga opuesta.

¿Cuáles son las propiedades físicas de las resinas IX?

La forma geométrica, el tamaño y la estructura de las resinas IX pueden variar de un tipo a otro. La mayoría de los sistemas de intercambio IX emplean un lecho de resina formado por microperlas diminutas y porosas, aunque algunos sistemas, como los utilizados para la electrodiálisis, utilizan una resina de malla en forma de lámina. Las microesferas de resina IX suelen ser pequeñas y esféricas, con un radio de apenas 0,25 a 1,25 milímetros de tamaño. Dependiendo de la aplicación y del diseño del sistema, las perlas de resina pueden tener un tamaño de partícula uniforme o una distribución de tamaño gaussiana. La mayoría de las aplicaciones utilizan perlas de resina de gel, que tienen un aspecto translúcido y ofrecen una gran capacidad y eficacia química. Las resinas macroporosas, que se reconocen por su aspecto blanco o amarillo opaco, suelen reservarse para condiciones exigentes, ya que tienen una estabilidad y una resistencia química comparativamente mayores.

¿De qué están hechas las resinas IX?

La matriz de la resina IX se forma mediante la reticulación de cadenas de hidrocarburos entre sí en un proceso llamado polimerización. La reticulación da al polímero de resina una estructura más fuerte y resistente y una mayor capacidad (por volumen). Aunque la composición química de la mayoría de las resinas IX es poliestireno, algunos tipos se fabrican con acrílico (acrilonitrilo o acrilato de metilo). A continuación, el polímero de la resina se somete a uno o varios tratamientos químicos para unir grupos funcionales a los sitios de intercambio de iones situados en toda la matriz. Estos grupos funcionales son los que dan a la resina IX su capacidad de separación, y variarán significativamente de un tipo de resina a otro. Las composiciones más comunes incluyen:

• Resinas de intercambio de cationes ácidos fuertes (SAC). Las resinas SAC se componen de una matriz de poliestireno con un grupo funcional de sulfonato (SO3-) que se carga con iones de sodio (Na2+) para aplicaciones de ablandamiento, o con iones de hidrógeno (H+) para la desmineralización
• Resinas de intercambio de cationes ácidos débiles (WAC). Las resinas WAC están compuestas por un polímero acrílico que ha sido hidrolizado con ácido sulfúrico o sosa cáustica para producir grupos funcionales de ácido carboxílico. Debido a su alta afinidad por los iones de hidrógeno (H+), las resinas WAC suelen utilizarse para eliminar selectivamente los cationes asociados a la alcalinidad.
• Resinas de intercambio aniónico de base fuerte (SBA). Las resinas SBA suelen estar compuestas por una matriz de poliestireno que ha sido sometida a clorometilación y aminación para fijar los aniones a los sitios de intercambio. Las resinas SBA de tipo 1 se producen mediante la aplicación de trimetilamina, que produce iones de cloruro (Cl-), mientras que las resinas SBA de tipo 2 se producen mediante la aplicación de dimetiletanolamina, que produce iones de hidróxido (OH-).
• Resinas de intercambio de aniones de base débil (WBA). Las resinas WBA suelen estar compuestas por una matriz de poliestireno que ha sufrido una clorometilación, seguida de una aminación con dimetilamina. Las resinas WBA son únicas en el sentido de que no tienen iones intercambiables y, por lo tanto, se utilizan como absorbentes de ácidos para eliminar los aniones asociados a los ácidos minerales fuertes.
• Resinas quelantes. Las resinas quelantes son el tipo más común de resina especial, y se utilizan para la eliminación selectiva de ciertos metales y otras sustancias. En la mayoría de los casos, la matriz de la resina se compone de poliestireno, aunque se utiliza una variedad de sustancias para los grupos funcionales, incluyendo el tiol, el trietilamonio y el aminofosfónico, entre muchos otros.

¿Cómo funciona la resina de intercambio iónico?

Para entender completamente cómo funcionan las resinas IX, es importante entender primero los principios de la reacción de intercambio iónico. En pocas palabras, el intercambio de iones es un intercambio reversible de partículas cargadas -o iones- con otras de carga similar. Esto ocurre cuando los iones presentes en una matriz de resina IX insoluble se intercambian efectivamente con los iones de carga similar presentes en una solución circundante.

La resina IX funciona de esta manera debido a sus grupos funcionales, que son esencialmente iones fijos que están permanentemente unidos dentro de la matriz polimérica de la resina. Estos iones cargados se unirán fácilmente con iones de carga opuesta, que se suministran mediante la aplicación de una solución de contraión. Estos contraiones continuarán enlazándose con los grupos funcionales hasta que se alcance el equilibrio.

Durante un ciclo IX, la solución a tratar se añadiría al lecho de resina IX y se dejaría fluir a través de las perlas. A medida que la solución se desplaza a través de la resina IX, los grupos funcionales de la resina atraen cualquier contraión presente en la solución. Si los grupos funcionales tienen una mayor afinidad por los nuevos contraiones que los ya presentes, entonces los iones de la solución desalojarán a los existentes y ocuparán su lugar, uniéndose a los grupos funcionales a través de una atracción electrostática compartida. En general, cuanto mayor sea el tamaño y/o la valencia de un ion, mayor afinidad tendrá con los iones de carga opuesta.

Apliquemos estos conceptos a un sistema típico de ablandamiento de agua IX. En este ejemplo, el mecanismo de ablandamiento consiste en una resina de intercambio catiónico en la que los grupos funcionales del anión sulfonato (SO3-) se fijan a la matriz de la resina IX. A continuación, se aplica a la resina una solución de contraión que contiene cationes de sodio (Na+). El Na+ se adhiere a los aniones SO3- fijados por atracción electrostática, lo que da lugar a una carga neutra neta en la resina. Durante un ciclo IX activo, se añade a la resina de intercambio catiónico una corriente que contiene iones de dureza (Ca2+ o Mg2+). Dado que los grupos funcionales SO3- tienen una mayor afinidad por los cationes de dureza que por los iones Na+, los iones de dureza desplazan a los iones Na+, que salen de la unidad IX como parte de la corriente tratada. Los iones de dureza (Ca2+ o Mg2+), por otro lado, son retenidos por la resina IX.

¿Qué es la regeneración de la resina?

Con el tiempo, los iones contaminantes se unen a todos los sitios de intercambio disponibles en la resina IX. Una vez que la resina se agota, debe ser restaurada para su uso posterior a través de lo que se conoce como un ciclo de regeneración. Durante un ciclo de regeneración, la reacción IX se invierte esencialmente mediante la aplicación de una solución regenerante concentrada. Dependiendo del tipo de resina y de la aplicación en cuestión, el regenerante puede ser una solución salina, ácida o cáustica. A medida que avanza el ciclo de regeneración, la resina IX libera iones contaminantes, cambiándolos por iones presentes en la solución regenerante. Los iones contaminantes saldrán del sistema IX como parte de la corriente de efluente regenerante, y deberán ser descargados adecuadamente. En la mayoría de los casos, la resina se enjuaga para eliminar cualquier regenerante residual antes del siguiente ciclo IX activo.

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